宇宙膨脹
——難以置信的科學(xué)事實

□ 張雨范

宇宙膨脹
——難以置信的科學(xué)事實

□ 張雨范

天文學(xué)中談?wù)摰挠钪?，是指廣漠空間以及其中存在的各種天體和各種形態(tài)的物質(zhì)的總稱。地球和月亮屬于宇宙，太陽和太陽系的行星、彗星等天體屬于宇宙，天狼星和織女星等約數(shù)千億顆恒星和許多星云組成的銀河系同樣屬于宇宙。銀河系之外，仙女星系及大小麥哲倫星系等數(shù)千億個星系還是宇宙的組成部分。宇宙有多大？是無限的還是有限的？宇宙如何演化？壽命有多長？等等，仍是現(xiàn)代天文學(xué)中探討的問題。我國戰(zhàn)國時期稱“天地四方曰宇，古往今來曰宙”，將宇宙概括為空間和時間的綜合，這或許是對宇宙的更加準(zhǔn)確的描述。如今，大爆炸宇宙學(xué)獲得了絕大多數(shù)科學(xué)家的認可，但宇宙正在膨脹這一現(xiàn)象，仍然不是普通人可以輕易理解和想象的。要完美解釋宇宙膨脹現(xiàn)象，科學(xué)家還需要克服許多難題。

我國古代的宇宙觀

白天，太陽東升西落；夜晚，月亮和群星同樣?xùn)|方升起西方落下。生活在地球上的我國古代先人，限于當(dāng)時科學(xué)和認識的水平，逐漸建立了樸素的唯物主義宇宙觀。歸納起來主要有三種：蓋天說、渾天說和宣夜說。

蓋天說主張“天圓如張蓋，地方如棋局”。大地是一個棋局樣子的正方形，天如一個圓圓的蓋子罩住大地?？紤]到圓蓋形的天與方形的大地不能銜接，蓋天說又進一步發(fā)展認為，不僅天是拱形的，地也是拱形的，天地如兩個同心球穹，其間有著很大的距離，日月星辰出沒是由于不同遠近所致。

渾天說的最早著作見于東漢張衡的《渾天儀注》：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于內(nèi)，天大而地小，天之包地，猶殼之裹黃?！币馑际钦f，天如球形，地球位于其中心。最初，渾天說認為地球浮在水中，后來又改進為浮在氣中。根據(jù)渾天說制造的渾儀可以逼真地演示日月星辰的運動，因此，渾天說比蓋天說更為流行。

宣夜說也是一種當(dāng)時相當(dāng)先進的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說。據(jù)《晉書·天文志》記載：“惟漢秘書郎郄萌記先師相傳云：天了無質(zhì)，仰而瞻之，眼瞀精絕，故蒼蒼然也，……日月眾星，自然浮生虛空之中，其行其止，皆須氣焉。”可以看出，宣夜說認為天是沒有形質(zhì)的，不存在固體的天穹，而只是無邊無際的氣體。日月星辰漂浮在無限的氣體之中，游來游去。

我國古代關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的蓋天說示意圖

我國古代關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的渾天說示意圖

不斷發(fā)展的西方宇宙學(xué)說

早在公元前4世紀(jì)，雅典哲學(xué)家柏拉圖就提出了“同心球”宇宙模型。他認為，宇宙是以地球為中心的一個個同心球，這些球殼從內(nèi)向外依次分布著月球、太陽、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。這一理論在解釋天體運動，尤其是行星的運動時，遇到許多困難。雖經(jīng)不斷改進，仍不能解釋某些天文現(xiàn)象。公元2世紀(jì)，屬于亞歷山大學(xué)派的托勒密認識到“同心球”宇宙模型的缺陷，提出了“地心說”。托勒密在他的十三卷巨著《天文學(xué)大成》中指出，日月行星都以圓軌道繞地球運動，但地球并不位于圓心，而是偏離中心一點，這些偏心圓稱為均輪；五大行星都繞著自己的本輪圓運動，本輪圓的中心再繞均輪運動；最外一層是恒星天，所有恒星都鑲嵌在恒星天上。托勒密的地心宇宙體系學(xué)說可以很好地解釋當(dāng)時的天文觀測。

亞歷山大派天文學(xué)家托勒密

托勒密的地心說示意圖

在托勒密時代之后，歐洲逐步進入了宗教統(tǒng)治的黑暗時期，“地心說”也因為統(tǒng)治者的需要而一直主導(dǎo)著人類的宇宙觀。到15、16世紀(jì)，哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，麥哲倫環(huán)繞地球一周，這些表明地球是一個懸在宇宙空間的球體。隨著生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的進步，地心說與科學(xué)觀測日益抵觸。16世紀(jì)波蘭天文學(xué)家哥白尼提出了“日心說”，他在《天體運行論》中指出：太陽是宇宙的中心，靜止不動；地球和其他行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn)；按距離順序，水星距離太陽最近，往外依次是金星、地球、火星、木星和土星，恒星則分布在最外層的球面上。意大利學(xué)者布魯諾是宇宙“日心說”的支持者，后來他進一步發(fā)展了這一學(xué)說。他認為，恒星是無數(shù)個遙遠的太陽，太陽是一顆普通恒星，并非宇宙的中心；宇宙是無限大的，其中有無數(shù)個世界。

近代波蘭天文學(xué)家日心說創(chuàng)立者哥白尼

地心說與日心說示意圖

牛頓和愛因斯坦的宇宙觀

英國物理學(xué)家牛頓

17世紀(jì)，在開普勒三定律的基礎(chǔ)上，英國科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。在平直幾何空間的框架下，他利用萬有引力定律研究宇宙問題。他認為，如果宇宙是有限的，就會有邊界和中心，各部分之間在引力作用下相互吸引，物質(zhì)必然落向中心，這與客觀現(xiàn)實不符。因此宇宙應(yīng)該是無限的，無邊界無中心，且處于穩(wěn)定的靜態(tài)之中。

德國出生的美籍物理學(xué)家愛因斯坦

1915年愛因斯坦建立了廣義相對論，他認為時空是彎曲的。他將廣義相對論的引力場方程應(yīng)用于整個宇宙。在宇宙處于靜態(tài)、均勻和各向同性的假設(shè)下，他得出，具有彎曲時空特性的宇宙是有限無邊的。

哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹

美國著名天文學(xué)家哈勃

仙女星系M31（仙女座大星云）

雖然牛頓和愛因斯坦利用物理定律對宇宙的屬性進行了深入探討，但是由于天文觀測儀器和方法的局限，直到20世紀(jì)20年代初期，科學(xué)家還不能確定觀測宇宙的尺度和范圍，對此存在著不同的看法。1920年兩位美國天文學(xué)家開展了關(guān)于宇宙范圍和旋渦星云屬性的爭論，它是當(dāng)時人們對宇宙認識水平的明確體現(xiàn)。1920年4月26日，美國國家科學(xué)院在華盛頓舉行會議。以威爾遜山天文臺沙普利為代表的部分天文學(xué)家認為，當(dāng)時觀測到的旋渦星云是銀河系內(nèi)的尺度相對小的天體，銀河系就是我們的宇宙；以里克天文臺柯蒂斯為代表的部分天文學(xué)家認為，旋渦星云位于銀河系之外，是同銀河系類似的巨大的恒星系統(tǒng)（宇宙島）。當(dāng)時雙方都沒有充足的論據(jù)說服對方。不過，這一困局很快被打破，1923年和1924年，美國天文學(xué)家哈勃在仙女座大星云（M31)中觀測到造父變星，確定了M31的距離，它位于銀河系之外，之后柯蒂斯的觀點逐漸獲得了普遍認可。

哈勃使用的威爾遜山天文臺的2.5米胡克望遠鏡

在沙普利和柯蒂斯大爭論之后，一些科學(xué)家從理論方面探討宇宙的變化。1922年蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼求解愛因斯坦引力場方程，得到宇宙的膨脹解，由此建立了宇宙的膨脹模型。1927年比利時天文學(xué)家勒梅特則通過引力場方程和相關(guān)觀測數(shù)據(jù)，建立了他的宇宙膨脹模型。勒梅特認為現(xiàn)在觀測到的宇宙是由一個極端高熱、密度非常巨大的原始原子大爆炸而產(chǎn)生的。

盡管宇宙膨脹漸漸成為許多天文學(xué)家認可和熱衷的學(xué)說，但是，真正使它立于不敗之地的，是20世紀(jì)美國著名的觀測天文學(xué)家哈勃的杰出觀測工作。1929年，哈勃僅用24個星系的觀測資料，發(fā)現(xiàn)星系的距離和紅移存在強相關(guān)：距離越遠，紅移值越大。哈勃整理觀測數(shù)據(jù)，做出了星系的速度距離關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)它們之間是正比關(guān)系，即星系越遠退行速度越大。這就是著名的哈勃定律，它意味著我們的宇宙正在膨脹著。

支持宇宙膨脹學(xué)說的其他基石

1948年俄裔美國科學(xué)家伽莫夫和他的同事阿爾弗及赫爾曼運用原子核物理學(xué)和基本粒子的知識，將宇宙膨脹與元素形成聯(lián)系起來，建立了大爆炸元素形成理論，形成了大爆炸宇宙學(xué)說（Big Bang）。大爆炸宇宙學(xué)說以宇宙學(xué)原理為基礎(chǔ)，即宇宙在大尺度上均勻和各向同性。大爆炸宇宙學(xué)說認為宇宙在早期應(yīng)該處于高溫高密狀態(tài)，隨著宇宙膨脹，溫度密度下降；在宇宙演化的某一階段，核反應(yīng)發(fā)生，合成元素。按照這一理論，伽莫夫等人計算了現(xiàn)在宇宙中的元素含量，同時預(yù)言在宇宙空間充滿了溫度約為5K的微波背景輻射。不過，這一預(yù)言當(dāng)時并沒有引起天文學(xué)家的特別關(guān)注。

1964～1965年間，在美國貝爾實驗室工作的工程師彭齊亞斯和威爾遜，使用一架口徑約7米的號角形反射天線進行通訊和天文學(xué)方面的實驗。他們使用的波長是7.35厘米的微波，當(dāng)他們對準(zhǔn)銀河平面測量時，意外地發(fā)現(xiàn)存在著6.7K的剩余輻射。他們想出各種辦法調(diào)整設(shè)備，甚至擦去天線上的鳥屎，這一剩余輻射依然存在，而且與方向無關(guān)。經(jīng)過反復(fù)測量，扣除大氣吸收以及天線自身的影響，他們發(fā)現(xiàn)仍然存在著3.5K的來自宇宙所有方向的輻射。當(dāng)時彭齊亞斯和威爾遜并不理解這種輻射的宇宙學(xué)意義，而他們意外發(fā)現(xiàn)剩余輻射的消息傳到普林斯頓大學(xué)后，那里的天文學(xué)家皮普斯和迪克非常興奮，經(jīng)過共同討論，他們認為這應(yīng)該是大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言的微波背景輻射。因這項成果，彭齊亞斯和迪克獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。

根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)理論，可以推算出氦元素的豐度（含量）。現(xiàn)實天文觀測得到的氦元素的豐度值跟大爆炸學(xué)說的推算值兩者符合得很好。近些年對于微波背景輻射的詳細觀測，和星系的形成演化及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的觀測也支持大爆炸宇宙學(xué)說。因此，星系紅移（哈勃定律）、微波背景輻射、氦豐度值和星系的演化與分布被稱為大爆炸宇宙學(xué)說的四個基石。

俄國天文學(xué)家伽莫夫

觀測到微波背景輻射口徑約7米的號角形反射天線

非專業(yè)人士對宇宙膨脹的懷疑

1929年，美國著名天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移與距離的正相關(guān)關(guān)系，證實了宇宙膨脹的預(yù)言，至今已經(jīng)80多年過去了。微波背景輻射的測量及氦元素含量（豐度）的測量，都使得大爆炸宇宙學(xué)說成為了堅實的科學(xué)學(xué)說。然而，在普通百姓眼中，白天太陽東升西落，夜晚深邃的星空分布不隨歲月發(fā)生任何變化。宇宙膨脹對于他們來說可算是天方夜譚。即使有一定物理知識的非專業(yè)人員，對于大爆炸宇宙學(xué)說也充滿了種種懷疑，甚至否定。

天空和宇宙空間無邊無沿，這是民間普通百姓固有的樸素觀念。他們先天地認為宇宙是無限的，無限的宇宙不可能膨脹。而略有一些物理學(xué)知識的文化人，則往往會進一步質(zhì)疑：如果大爆炸理論正確，那么離我們越遠的宇宙空間及天體飛離我們的速度越快；而按照狹義相對論，當(dāng)星系飛離的速度越接近光速，則其質(zhì)量越大；顯然其速度趨近光速時，其質(zhì)量則趨于無窮大；在這種情況下，由于星系質(zhì)量劇烈增加而造成星系自身引力劇烈增大，在巨大的自身引力作用下星系理應(yīng)塌縮為黑洞，而現(xiàn)實并沒有觀測到這樣的黑洞。

根據(jù)廣義相對論框架下的宇宙學(xué)方程，宇宙是有限還是無限取決于宇宙中的平均物質(zhì)密度，而宇宙物質(zhì)平均密度則來自天文學(xué)的觀測，結(jié)果表明我們的宇宙很可能是無限的，無限的宇宙不是不能膨脹。普通百姓的固有觀念，沒有科學(xué)的依據(jù)，很容易看出它們是站不住腳的。然而，文化人的質(zhì)疑則以科學(xué)為武器，具有極大的“說服力”，在他們的“科學(xué)邏輯”推導(dǎo)下，得到了“科學(xué)的結(jié)論”，相信許多人會對此深信不疑。然而，科學(xué)家告訴我們對于大尺度宇宙學(xué)問題，例如，相距遙遠的星系之間的運動和引力，只能從廣義相對論宇宙學(xué)方程出發(fā)，牛頓力學(xué)和狹義相對論是無效的。所以，上面文化人的質(zhì)疑是在錯誤的理論框架下提出的錯誤問題。然而，在現(xiàn)實中除了專門研究相對論天體物理的人之外，確實沒有幾個人能真正懂得宇宙學(xué)理論。宇宙科學(xué)與普通人的距離比遙遠的星系還遠。

宇宙膨脹的兩維平直模型圖

夜空中的大麥哲倫云和小麥哲倫云

大爆炸宇宙學(xué)必須面對的挑戰(zhàn)

哈勃望遠鏡最近拍攝的Abell2744星系團

2014年3月17日，國外媒體報道，南極望遠鏡觀測到宇宙微波背景輻射的偏振B模式（B-Mode），這是對宇宙暴漲說的有力支持，對了解宇宙早期提供了線索。到目前為止，大爆炸宇宙學(xué)獲得了天文觀測的多方面支持。隨著觀測的深入，其進一步發(fā)展成為所謂標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)。在這一理論中，宇宙極早期經(jīng)歷了快速膨脹的暴漲階段，暴漲結(jié)束后，宇宙進入原大爆炸宇宙學(xué)所描述的演化階段。同時觀測表明我們今天的宇宙處于加速膨脹階段，宇宙的主要構(gòu)成成份為暗能量和暗物質(zhì)。

另一方面，目前的宇宙學(xué)說還有一些的重要問題無法回答， 比如，宇宙最初的來源和狀態(tài)問題、暴漲的動力來源問題以及暗能量問題等。這些問題的存在引出了一些質(zhì)疑，例如，有人以為：“大爆炸理論對宇宙大爆炸中物質(zhì)的產(chǎn)生做了詳盡的描述，但時至今日，卻沒有對暗能量的產(chǎn)生做任何說明或是猜測。”他們還認為：“在大爆炸創(chuàng)生的宇宙中，原本沒有暗能量的地位，只是后來需要才提出所謂的暗能量?！?/p>

盡管人們對大爆炸宇宙學(xué)說的質(zhì)疑有他們自己的道理，在一定程度上也是合理的，但是就此否定大爆炸宇宙學(xué)說則是非常短視和偏頗的。相反，從科學(xué)發(fā)展而言，宇宙學(xué)所面臨的問題恰恰體現(xiàn)出了宇宙學(xué)研究的生命力所在，回答這些基本問題是天文學(xué)家和物理學(xué)家的奮斗目標(biāo)。

（責(zé)任編輯 張長喜）